鋁鎂硅合金焊接工藝研究

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(1.佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002；2.佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

鋁及鋁合金具有獨特的物理化學性能，密度小，電阻率小，具有優異的低溫性能和耐蝕性能以及較高的比強度(強度/密度)。電機轉子制造中用銅量很大，價格昂貴，如果銅條轉子改為鋁合金，則可以大幅降低電機成本，同時也可以節省銅資源。經測算，鋁合金端環結構的轉子比銅端環節約一半以上的成本，因此鋁合金轉子端環及導條在電機中的應用是一個研究方向，鋁合金轉子端環與導條焊接工藝是這項技術的關鍵。本文主要對6082鋁鎂硅合金的焊接工藝進行分析。

1 焊接可行性分析

1.1 鋁、鋁合金、銅的性能比較

鋁、鋁合金及銅從性能上進行比較，鋁合金的抗拉強度、屈服強度及電阻率都比鋁及銅大，但銅的延伸率要比鋁及鋁合金大，具體性能比較見表1。

表1 鋁、鋁合金、銅的性能比較

1.2 6082鋁合金焊接性分析

鋁合金具有獨特的物理化學性能,因此在焊接過程中會產生一系列的困難,主要有以下幾點。

1.2.1 強的氧化能力

鋁與氧的親和力很強,為保證焊接質量,焊前必須嚴格清理焊件表面的氧化物,并防止在焊接過程中再氧化。為了保證焊接質量,焊前必須嚴格清理零件表面的氧化物,并防止在焊接過程中再氧化,對熔化金屬和處于高溫下的金屬進行有效的保護。

1.2.2 鋁的熱導率和比熱

鋁合金的導熱系數大，導熱快，須采用能量集中、功率大的熱源，對于較厚部件需采用預熱措施。

1.2.3 容易形成氣孔

鋁合金的液體熔池很容易吸收氣體，在高溫下熔入的大量氣體，在由液態凝固時，熔解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。

1.2.4 焊接接頭容易軟化

6082為熱處理強化鋁合金，由于焊接熱的影響，焊接接頭熱影響區會出現軟化，強度降低。因此應采用能量集中的焊接方法和小能量焊接，以減小接頭強度降低。

1.2.5 熔化后無色澤變化

鋁及鋁合金焊接時由固態轉變為液態時，沒有明顯的顏色變化，因此需掌握好焊接時的加熱溫度，盡量用平焊的方法焊接。

2 試驗材料化學成分

本次試驗時母材采用6082鋁鎂硅合金鍛件，這種鋁合金母材原始供貨狀態為鑄錠，經過鍛打，去除鑄錠中心的疏松部分，其化學成分實際檢測值見表2。

表2 母材6082鋁合金化學成份(%)

本次試驗時選取ER5356和ER4043作為焊接材料，并且在本次試驗前對焊接材料的化學成分進行了檢測，焊材化學成分的實測值與標準值對比詳見表3。

表3 焊材化學成份(%)

3 試驗內容及試驗過程

試驗內容有小試樣TIG焊、性能試板TIG焊接、性能試板MIG焊、試板做射線檢測及力學性能檢測。

3.1 小試樣TIG焊

先在小塊試樣上進行TIG焊試驗,接頭尺寸見圖1，坡口表面用不銹鋼鋼刷去掉氧化膜，坡口背面襯以紫銅板，銅板上開槽，槽與坡口背面對齊，先調整焊接電流至150A，電流極性為交流，由于母材導熱快、不熔化，當焊接電流調整至200A時，電弧加熱處才熔化，此時開始填絲，鋁絲直徑為φ3mm,起初鋁絲不熔合，形成一個小球，待母材溫度繼續升高之后小球消失，焊絲與母材熔合。

圖1 小試件焊接接頭

為減少熱輸入量，同時提高焊絲熔合速度，改用脈沖電流做試驗，電流峰值調整到250～300A，基值電流150A，這時焊接成型明顯改善，但焊接速度有所減慢。

通過小試件焊接得到鋁合金TIG焊的初步經驗：鋁合金導熱速度遠大于碳鋼、不銹鋼，在同樣的熱輸入條件下母材不易熔化，因此鋁合金施焊時需先進行預熱；由于鋁合金的熔點低，焊接速度慢會使前幾層焊道熔化，導致焊縫塌陷，所以焊接速度及層間溫度不可過高；通過實際焊接可以發現焊絲ER4043形成的焊道比ER5356形成的焊道要光亮一些。

3.2 TIG焊接性能試板

為評定實際產品的力學指標，TIG焊接性能試板厚度40mm,坡口尺寸依據TIG焊槍噴嘴的大小設計，具體尺寸如圖2所示。焊接方法：打底焊用脈沖TIG焊，峰值電流250～300A，基值電流150A，背面清根用旋轉銼及銑床加工，填充及蓋面采用交流電，電流200～250A，氣體流量15L/min。

圖2 TIG焊性能試板接頭

3.3 MIG焊性能試板

試板坡口尺寸與TIG焊相同。焊接參數：焊絲直徑：Φ1.2；氬氣流量：20L/min；預熱溫度：100℃；層間溫度：100℃～120℃；電流類型: 直流反接，有脈沖；焊接速度: 0.6m/min；干伸長: 15mm；操作技能要求: 前進法，不擺槍，焊槍工作角90°；行走角:20°；電流、電壓:V型坡口，電流為211～235A，電壓為24.4～25.8V;U型坡口電流為208～247A，電壓為24.0～26.2V。

試板焊接前用電動鋼絲刷進行清理，然后分別進行打底、填充及蓋面焊接。

3.4 試件加工及力學性能測試

按標準要求對焊接試板進行切削加工，進行破壞性試驗，分別取樣對TIG焊接和MIG焊接試板進行檢測，檢測結果為MIG焊接試板的抗拉強度在215～220 MPa之間，斷裂位置在母材及熔合線處，彎曲試驗均合格；TIG焊接試板的抗拉強度在158～160 MPa之間，斷裂位置在熔合線處，彎曲試驗有部分試樣不合格。

4 結語

從試驗過程來看，鋁合金導熱速度快，無論用TIG焊還是MIG焊都需預熱到100℃以上。但TIG焊焊接速度慢，導致工件溫度較高，使接頭熱影響區容易軟化，而MIG焊焊接速度快，效率高，母材溫度相對較低，從破壞性檢查來看，厚板MIG焊接頭強度及塑性比TIG焊接頭優越。另外鋁合金焊接對操作者的要求比碳鋼及不銹鋼的難度大，需要一定的培訓才能進行實際操作。從力學性能分析，鋁合金轉子接頭強度遠高于鑄鋁轉子、略高于紫銅轉子，但密度是紫銅的1/3，因此其運轉的力學可靠性比鑄鋁轉子及銅條轉子優越。

[1] 傅積和，孫玉林. 焊接數據資料手冊.北京:機械工業出版社,1994.6.

[2] 中國機械工程學會焊接學，焊接手冊.機械工業出版社,2001.8.

[3] 黃旺福，黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南 湖南科學技術出版社，2005.3.